DE20120782U1 - Schichtsystem aus einem nicht einkristallinen Substrat, einer Pufferschicht und einer supraleitenden Schicht - Google Patents
Schichtsystem aus einem nicht einkristallinen Substrat, einer Pufferschicht und einer supraleitenden SchichtInfo
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Description
AX2 001G01 DE ·**·Aw/nTe(* Efaimafftiofittechnik GmbH
Beschreibung
Schichtsystem aus einem nicht einkristallinen Substrat, einer Pufferschicht und einer supraleitenden Schicht 5
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem bestehend aus einem Hochtemperatursupraleiter wie z.B. YBCO, abgeschieden auf einem nicht-einkristallinen, technischen Substrat und einer Calzium-haltigen Zwischenschicht als Diffusionsquelle.
Das Phänomen der Supraleitung, der verlustfreie Stromtränsport im Zusammenhang mit speziellen magnetischen Eigenschaften wie dem Meissner-Ochsenfeldeffekt, ist schon seit Anfang des letzten Jahrhunderts durch Kammerlingh Onnes bekannt geworden. Seitdem wurden immer wieder neue Materialien gefunden die dieses Phänomen zeigen. Es begann ein regelrechtes Wettrennen die charakteristischen Parameter, nämlich die Übergangstemperatür Tc und die Stromdichte jc/ immer weiter in die Höhe zu treiben. Die vielversprechendsten Eigenschaften haben in den letzten 15 Jahren keramische Materialien, wie z.B. YBa2Cu3O7-S (YBCO) oder Bi2Sr2Ca2Cu3Og gezeigt. Mit der Entdeckung dieser Cuprate ist es gelungen die ersten Hochtemperatusupraleiter (HTSL) zu synthetisieren. Diese HTSL weisen eine Übergangstemperatur Tc auf, die oberhalb von 77 0K liegt und damit durch Kühlung in flüssigem Stickstoff (LN, liquid nitrogen) einen nahezu verlustfreien Stromtransport ermöglichen. Die Entdeckung der HTSL und die damit verbundene wirtschaftlichere Kühlung des Materials durch den billigeren LN gegenüber dem bis dahin notwendigen und teuren flüssigen Helium hat die Palette möglicher Anwendungen für Supraleiter enorm erweitert. Realisierte Anwendungen der Supraleiter sind u.a. in der Medizintechnik die empfindlichen Magnetfelddetektoren (SQUIDS) sowie Mikrowellenresonatoren in der Hochfrequenztechnik. Sehr.
aussichtsreiche Entwicklungen in der Energietechnik beschäftigen sich mit Anwendungen wie dem supraleitenden Stromkabel, dem Transformator sowie dem Strombegrenzer. Für
AX2001G01 DE *"l AfcynTeC rttftinScÜiciittechnik GmbH
Strombegrenzer nutzt man die Eigenschaft des Supraleiters oberhalb einer kritischen Stromdichte jc vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu wechseln. Im normalleitenden Zustand fällt an dem Widerstand der Schicht eine Spannung ab, die den Strom auf den zwei- bis fünffachen Nennstrom begrenzt. Der Vorteil dieser Art Strombegrenzer liegt in den kurzen Schaltzeiten (< 1 ms), die nur ca. ein zehntel der Schaltzeit herkömmlicher Strombegrenzer beträgt.
Aus wirtschaftlichen und anwendungsrelevanten Gründen werden die supraleitenden Elemente in der Regel als dünne Schichten mit einer Dicke von wenigen &mgr;&idiagr;&eegr; hergestellt. Als Trägermaterialien können sowohl Einkristalle wie AI2O3, LaAlC>3, SrTCb, YSZ oder MgO dienen, aber auch technische Substrate wie z.B. Ni werden genutzt.
In dem US Patent US 5,968,877 wird ein Schichtsystem aus rolltexturiertem Nickel, verschiedenen Zwischenschichten und einer HTSL Schicht beschrieben. Auf dem rolltexturierten Metall wird eine CeC^-Schicht epitaktisch aufgewachsen gefolgt von einer ebenso epitaktischen Schicht von Yttriumstabilisiertem Zirkonoxid um dann abschließend YBCO als supraleitende Schicht abzuscheiden. Alle Schichten können z.B. durch gepulste Laserdeposition (PLD) nacheinander in einem Rezipienten abgeschieden werden. Durch die Mehrfachepitaxie und dem rolltexturierten Ni-Substrat kann nur eine mäßige Kristallqualität der YBCO Schicht erreicht werden, so daß für dieses System bei 77° K nur eine Stromdichte von ca. 100000 A/cm2 erreicht werden kann.Wie oben erwähnt, ist die sogenannte kritische Stromdichte jc 0 neben der Sprungtemperatur Tc, der Parameter, der für einen technischen Einsatz der Hochtemperatursupraleiter am meisten interessiert. Für viele Anwendungen, wie z.B. als Strombegrenzer, ist es daher das Ziel die kritische Stromdichte zu maximieren.
Die c-Achsen-Orientierung der YBCO-Kristallite ist eine wichtige Voraussetzung für hohe kritische Stromdichten. Je
AX2001G01 DE
# I ÄJ:ynTe£ *Dü
GmbH
kleiner die Winkel der Korngrenzen sind, d.h. je besser die Textur der YBCO-Schichten, umso höher ist die kritische Stromdichte. Um die Textur der HTSL-Schichten auf technischen Substraten wie z.B. Nickelbändern zu optimieren werden wegen der schlechten Kristallgitterpassung von Substrat und HTSL-Schicht Pufferschichten eingeführt. Als Pufferschichten werden u.a. Magnesiumoxid (MgO), Ceroxid (CeCb) oder Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) vorgeschlagen (Physica C 330(2000), 150-154; IEEE Vol.11 No.1, March 2001 3385 - 3460; Physica C 357-360(2001), 903-913).
Im Zusammenhang mit der Kristallstruktur der Schichten haben auch die, unvermeidlichen Korngrenzen einen entscheidenden Einfluß auf die kritische Stromdichte jc.
In der EP 1 006 594 wird beschrieben, wie durch Dotierung die Stromdichte jc in supraleitenden Schichten mit großen Korngrenzenwinkeln auf technischen Substraten beeinflußt werden kann. Die Erfindung nutzt hierbei ein neues Verständnis des Stromtransportes in polykristallinen Supraleitern aus. Durch Dotierung werden nicht die Stromtransporteigenschaften der Kristallite selbst, sondern die der Korngrenzen optimiert. Es konnte gezeigt werden, daß Ca z.B. für YBCO ein geeigneter Dopant ist. Als technologisch einfaches und wirtschaftliches Verfahren wird vorgeschlagen Ca während der YBCO Abscheidung, z.B. im PLD-Verfahren, zu dotieren. Als optimale Ca-Dosis für YBCO wird eine Konzentration von 30% ermittelt. Bei dieser Ca-Dotierung läßt sich die Stromdichte nach Wachstum und Ausheilen bis zu einem Wert von 2300000 A/cm2 erhöhen. Durch die vorgeschlagene Art der Abscheidung wurden Yttrium Atome durch Ca Atome substituiert und es wurde eine polykristalline Yi_xCaxBa2Cu3O7_5 Schicht mit großen Korngrenzenwinkeln abgeschieden. Somit konnten zwar die supraleitenden Eigenschaften der Korngrenzen entscheidend verbessert werden, aber nicht die der Kristallite.
AX2001G01 DE · : ÄfcynTeC TJufcnScHiftfcttechnifc GmbH
Aufgabe der Erfindung ist es daher sowohl die kritische Stromdichte jc der Korngrenzen als auch die der Kristallite des supraleitenden Materials zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung beruht darauf, die Funktion der Pufferschicht und der Dotierungsschicht bzw. Dotierungsquelle zu vereinen. Dadurch läßt sich im weiteren durch die Reduzierung des Gesamtschichtsystems eine wirtschaftlichere Herstellung realisieren.
Die erfindungsgemäße Struktur, die die oben genannte Aufgabe löst, besteht aus einem Substrat auf dem unter anderem eine oder mehrere, den Dotierstoff enthaltende Zwischenschichten abgeschieden werden und der Supraleitenden-Schicht über der genannten Zwischenschicht. Durch die gute Gitterpassung von Zwischenschicht und Supraleitender-Schicht kann die Kristallqualität, welche vor allem durch Größe und Ausrichtung der Kristallite beeinflußt wird, und damit die supraleitenden Eigenschaften wie jc und T0 der Kristallite optimiert werden. Gleichzeitig dient die Zwischenschicht als Dotierungsquelle um die kritische Stromdichte der Korngrenzen zu erhöhen.
Um bei dem oben angesprochenen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand die Leistung über das Substrat abzuführen, besteht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung aus einem Schichtsystem aus einer polykristallinen oder biaxial-texturierten YBCO-Schicht über einer elektrisch leitfähigen Ca-haltigen Pufferschicht, z.B. Lai-xCaxMnC>3 oder CaCuO2 / auf einem nichteinkristallinen Substrat.
5 Es folgen weitere Erläuterungen des bevorzugten Schichtsystems.
AX2001G01 DE · : &Aacgr;&&ggr;&eegr;&Tgr;&&idiagr; DuJinSclticiittechnik GmbH
Das nicht-einkristalline Substrat der oben genannten vorteilhaften Ausführungsform kann aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch ein Metallsubstrat sein, auf dem z.B. mittels gepulster Laserdeposition die elektrisch leitfähige, Ca-haltige Pufferschicht abgeschieden wird, um zum einen als Dotierungsquelle zu dienen und zum anderen als biaxial texturierte Pufferschicht für die YBCO-Schicht, um so eine hohe Kristallqualität und eine hohe kritische Stromdichte der YBCO-Schicht gewährleisten zu können.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems ist die gepulste Laserdeposition.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, aus der weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten ebenso wie aus den Unteransprüchen entnehmbar sind. Im ein- ■ zelnen zeigen:
Figur 1 : schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform
In Fig. 1 bezeichnet 1 das Substrat auf dem eine elektrisch leitfähige, Ca-haltige Pufferschicht 2 abgeschieden wurde. 5 Über dieser Pufferschicht 2 wurde die supraleitende YBCO-Schicht 3 epitaktisch aufgewachsen. Die Korngrenzen sind in Figur 1 schematisch dargestellt und tragen das Bezugszeichen 4.
Claims (6)
1. Schichtsystem aus einem nicht einkristallinen Substrat (1), einer Pufferschicht (2) und einer supraleitenden Schicht (3) dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (2) einen Dotierstoff für die supraleitende Schicht enthält.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (2) aus oxidischem Material besteht.
3. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (2) elektrisch leitfähig ist.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (3) aus YBa2Cu3O7- δ, Bi2Sr2Ca2Cu3O10+ δ oder Bi2Sr2CaCu2C8+ δ besteht.
5. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff aus einem der Elemente H, Li, Mg, La, Ca, Sr, Ba, Tl, Pb, Bi, Y besteht.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (2) aus La1-xCaxMnO3 oder CaCuO2 gebildet wird.
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|---|---|---|---|
| DE20120782U DE20120782U1 (de) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | Schichtsystem aus einem nicht einkristallinen Substrat, einer Pufferschicht und einer supraleitenden Schicht |
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| DE20120782U Expired - Lifetime DE20120782U1 (de) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | Schichtsystem aus einem nicht einkristallinen Substrat, einer Pufferschicht und einer supraleitenden Schicht |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005005800A1 (de) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. | Hochtemperatur-Schichtsupraleiteraufbau und Verfahren zu seiner Herstellung |
-
2001
- 2001-12-21 DE DE20120782U patent/DE20120782U1/de not_active Expired - Lifetime
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